按鈕開關(guān)失靈原因探究

一、按鈕開關(guān)失靈原因探究

1．按鈕開關(guān)突然失靈——偶然還是必然？

這是筆者在制作數(shù)字定時提醒器過程中遇到的一個問題。

基本電路如圖32-11。這是一個改變CMOS數(shù)字集成電路輸入端電位的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路，用按鈕開關(guān)控制該端電壓的高低，用數(shù)字化語言來說就是分別輸入“0”和“1”。當(dāng)整機(jī)裝配完畢，正常工作之后，在使用過程中出現(xiàn)了一種十分奇怪的現(xiàn)象，就是按鈕開關(guān)突然失靈。通常在開關(guān)處于長開狀態(tài)，按下后轉(zhuǎn)換成長閉狀態(tài)，將電路功能按照設(shè)計發(fā)生變化。失靈后，即使沒有按下開關(guān)，電路仍然莫名其妙處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)。這是為什么呢？

圖32-11

2．猜想、觀察與判斷

首先的措施是用電壓表測量一下A點電壓。正常情況下當(dāng)按鈕開關(guān)未按動時，A點應(yīng)該為0；結(jié)果發(fā)現(xiàn)電壓不正常，為高電壓，接近電源電壓（3V）。按鈕開關(guān)不起作用。檢查線路板一切正常。猜想故障出在按鈕開關(guān)上。于是將開關(guān)拆下測量，果然出現(xiàn)短路。換上一個新開關(guān)，電路正常工作。然而反復(fù)按動數(shù)十次后，故障又出現(xiàn)了?？磥碇缓脧拈_關(guān)內(nèi)部找原因了。

將損壞的按鈕開關(guān)的塑料外殼解剖，用放大鏡仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)在開關(guān)的兩個電極之間的絕緣塑料壁上隱約有一些金屬膜，正是這些金屬膜導(dǎo)致了電極之間發(fā)生短路。下面要解決的問題是，金屬膜是怎樣產(chǎn)生的？如何避免這種現(xiàn)象？

經(jīng)分析電路，初步判斷金屬膜是因為電路設(shè)計不周全造成的。電路在未按下開關(guān)，A點為低電位；按下開關(guān)，A接電源正極，變成高電位；為了避免開關(guān)抖動產(chǎn)生的誤動作，在A點接入了一個0.047μF的電容C。從電路分析，正是這個電容C，導(dǎo)致了金屬膜的產(chǎn)生。因為這個電容的存在，每次按動開關(guān)，電源向它充電。電容的性質(zhì)就是加在電容器上的電壓不能突變；也就是在那一瞬間，電容相當(dāng)于短路接地，導(dǎo)致有一個較大的電流通過按鈕開關(guān)；這個充電電流對于微型按鈕開關(guān)來說是相當(dāng)大的（估計其數(shù)量級在數(shù)百mA），會在電極之間打出電火花；用的次數(shù)多了，這些電火花就會在電極之間形成金屬膜，導(dǎo)致電極短路現(xiàn)象的發(fā)生。如果這種判斷是正確的，那么可以在電路中串聯(lián)一個限流電阻來解決這一問題。于是用一個1k電阻如圖32-12接入，經(jīng)過長期使用，一切正常。

圖32-12

3．偶然事故的解決在電路設(shè)計中的應(yīng)用

①首先是對于某些微型開關(guān)，用于有電容的電路中時，應(yīng)考慮到瞬間電流的問題，采取相應(yīng)的措施保證電路的長期運(yùn)行。

②對于常見的電池供電的開關(guān)電路的改進(jìn)。傳統(tǒng)的電源開關(guān)的電路如圖——。按照上面的分析，這種電路在開啟的瞬間，電池會瞬間通過開關(guān)向電路的去藕電容放電。因為這個去藕電容通常比較大，一般都在100μF以上，所以每次開啟電路，都會產(chǎn)生一個短路電流，其大小視電源內(nèi)阻而定，其數(shù)量級可達(dá)幾安培。雖然電路設(shè)計時，已經(jīng)考慮到這個電流對開關(guān)的影響，使用了可承受此電流沖擊的開關(guān)，所以一般不會影響電路的正常工作。但是，對于電池來說，是一個不小的損失，會導(dǎo)致電池過度放電而影響電池使用時間。為此筆者該將電源開關(guān)電路做了改動，將去藕電容直接并聯(lián)在電池上。這樣，在每次開啟電路時，電池和開關(guān)就避免了一次大電流的沖擊。這種電路雖然有些離經(jīng)叛道，但經(jīng)過長期使用，未發(fā)現(xiàn)有任何問題。

4．實驗點評

這是一例典型的抓住偶然性進(jìn)行探究，得出新電路的實驗過程。對于電子制作過程中的一切偶然現(xiàn)象，特別是那些違背常識的現(xiàn)象，千萬不要懷疑事實，認(rèn)為自己的實驗不正確。要大膽懷疑，抓住偶然性不放，找出其中的必然規(guī)律。以下問題是每個愛好者必然要遇到的：

你在電子實驗中遇到過哪些偶然現(xiàn)象？你對發(fā)生的偶然現(xiàn)象進(jìn)行研究了嗎？你最后對這個偶然現(xiàn)象有合理的解釋嗎？你從中得到了什么收獲？

當(dāng)然，有些現(xiàn)象不是通過幾次實驗就可以解釋的。也許需要很長時間，也許要請教專家才能解決。但是，對疑難問題進(jìn)行探究的精神是不可缺少的。

二、光敏電阻振蕩電路實驗

1．光控照明電路的一對矛盾——光敏電阻與光

典型的光控照明電路的原理是，當(dāng)光線變暗時，光敏電阻改變，控制電路動作，啟動照明燈光。但是照明燈光打開后，環(huán)境光線變亮，就會使光敏電阻作反向變化，控制電路將照明燈光關(guān)閉。如此電路會循環(huán)不已，產(chǎn)生振蕩。事情果真如此嗎？

2．光敏電阻振蕩電路實驗

①實驗電路及猜想

為了回答上面的問題，特設(shè)計了如下的電路進(jìn)行實驗，見圖32-21

圖32-21

按照理論分析，這個電路應(yīng)該按照以下過程工作：通過光敏電阻控制門電路的輸出狀態(tài)；當(dāng)環(huán)境光線變暗時，光敏電阻阻值較大，控制門電路輸出高電位，驅(qū)動一發(fā)光二極管發(fā)光；將這個發(fā)光二極管放在靠近光敏電阻1厘米左右，這樣發(fā)光管變亮，光線可照射到光敏電阻上，導(dǎo)致它電阻變小，控制門電路輸出低電位，發(fā)光二極管熄滅。如此周而復(fù)始，電路會產(chǎn)生脈沖振蕩。

②實驗現(xiàn)象

按圖中的電路接好，發(fā)現(xiàn)二極管恒亮。

③實驗現(xiàn)象分析

表面上看，電路沒有產(chǎn)生振蕩?？磥?，假設(shè)不成立。

但是，如果振蕩的頻率高于30Hz，發(fā)光二極管雖然受到脈沖電壓的驅(qū)動，但是人的眼睛是無法分辨的。所以，從燈光恒亮的現(xiàn)象，還不能得出電路沒有振蕩的結(jié)論。

④電壓表測量

用電壓表測量驅(qū)動發(fā)光二極管的非門輸出端電壓，電壓值為電源電壓的一半。這表明，電路可能存在振蕩現(xiàn)象。但這只是間接的證據(jù)。

⑤收音機(jī)監(jiān)聽

用一個中波收音機(jī)放在電路旁邊，隨著電路的開啟，收音機(jī)就發(fā)出強(qiáng)烈的噪音。這證明電路的確產(chǎn)生了振蕩。

⑥分頻器觀察

那么振蕩的頻率范圍是多少？可用頻率計測量。如果沒有頻率計，能否用收音機(jī)測量呢？因為收音機(jī)可接收到脈沖振蕩的諧波信號，所以無法用收音機(jī)測定振蕩頻率?？刹捎?040分頻器進(jìn)行目測。4040最高的分頻系數(shù)是2的12次方，用一只4040的最高分頻估計振蕩頻率在數(shù)十千赫茲。用2個4040分頻器，就可以將結(jié)果變成1秒鐘左右閃動一次的脈沖，這樣，在沒有頻率計的條件下，也可比較精確地測量出振蕩頻率。實驗表明，本電路光敏電阻振蕩器的頻率在100kHz左右。

3．新型振蕩電路的誕生

從這種振蕩器的原理分析，在發(fā)光二極管上接一個電容器，可延遲燈光的產(chǎn)生，從而改變振蕩器的頻率；通過實驗可證明，這是可行的。

看來，利用光敏電阻、非門、發(fā)光二極管也可組成一個振蕩電路。至于這種振蕩電路工作穩(wěn)定性如何、振蕩頻率如何調(diào)整還需進(jìn)一步探究。這種新電路有什么實用價值呢？

4．判斷創(chuàng)新發(fā)明的滯后原則

創(chuàng)新發(fā)明既然是一種以前沒有的技術(shù)或產(chǎn)品，對它的價值判斷不易過于苛刻。通常的一個原則是不急于下否定的結(jié)論，讓時間和實踐去檢驗新設(shè)計的價值。

三、壓電陶瓷片諧振實驗

1．失聲的報警器

一種在洗衣機(jī)上使用的聲音提醒器使用了壓電陶瓷片發(fā)聲，在各種操作過程中可發(fā)出響亮的鳴叫聲。一個企業(yè)家仿照上面的壓電陶瓷片和它的共鳴盒，生產(chǎn)了一批帶共鳴箱的壓電陶瓷片；放在電路中，取代原來的壓電陶瓷片，但是卻發(fā)現(xiàn)了意想不到結(jié)果：生產(chǎn)的壓電陶瓷片竟然變啞了，發(fā)出的聲音十分微弱。這是為什么呢？企業(yè)家將這個問題交給了我。

2．實驗調(diào)查

①為了找到問題的原因，首先將原來洗衣機(jī)上的壓電陶瓷片及共鳴箱拆除，換上自制的一套，發(fā)現(xiàn)聲音變啞了。

②在原電路中，將自制的共鳴箱取代原配的，結(jié)果聲音變啞了。

這是為什么呢？自制的共鳴箱是按照原配的參數(shù)仿制的。調(diào)查陷入了困境。

3．偶然發(fā)現(xiàn)解開謎團(tuán)

在一次設(shè)計和研制自動音量電話振鈴時，采用了帶共鳴箱的壓電陶瓷片做發(fā)聲器。為了獲得較大的音量，除了提高電源電壓外，還進(jìn)行了調(diào)整報警聲音信號頻率的實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率調(diào)整到某一頻率時，壓電陶瓷片可發(fā)出比其他頻率高出數(shù)倍的音量。原因何在？經(jīng)過分析，判斷這是由于發(fā)聲頻率與共鳴箱固有諧振頻率相同所致。也就是說，當(dāng)帶共鳴箱的壓電陶瓷片，工作在其固有的諧振頻率上，就會發(fā)出最大的音量。

這一偶然發(fā)現(xiàn)解開了報警器為什么變啞的問題。初步判定是因為仿制的與原配的固有諧振頻率不同，導(dǎo)致與電路的發(fā)聲頻率不諧振，所以音量變得很小。至于固有諧振頻率產(chǎn)生誤差的原因，可能是因為共鳴箱的內(nèi)部厚度為1mm的數(shù)量級，在這種情況下，仿制的與原配的參數(shù)即使出現(xiàn)千分之一的誤差，就會導(dǎo)致共鳴箱的固有諧振頻率與原配的不相同。

問題找出了，也就找到了解決辦法。解決共鳴箱的精度比較困難，但是改變報警聲音頻率是比較容易做到的；于是將電路發(fā)聲振蕩頻率重新調(diào)整，使之與仿制的壓電陶瓷片諧振，問題得到圓滿解決。

4．實驗收獲

一般說來，電聲轉(zhuǎn)換器的頻率特性越平坦越好，尤其是音響設(shè)備的喇叭，如果采用在其固有諧振頻率上發(fā)出的聲音遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他頻率的聲音，那么這個喇叭就不能真實地還原聲音。但是對于頻率特性曲線陡峭的微型電磁喇叭，正好可以利用這種性能做報警器；常見的BP機(jī)，手機(jī)等電器的發(fā)聲器就是這樣工作的。壓電陶瓷片和微型電磁喇叭只有工作在其固有的諧振頻率上，才能發(fā)出較大的音量。此外還得到了控制音量的一個新方法：調(diào)節(jié)工作頻率改變音量大小。